Veranstaltungsprogramm

Aus der den nordwestdeutschen Küstenraum prägenden Binnenentwässerung entwickelte sich im Laufe der Jahrzehnte die heutige Nutzung der Flächen für die Grünlandwirtschaft. Die Kombination von landwirtschaftlicher Nutzung und Binnenentwässerung führt seit Jahrzehnten zu hohen Nährstoffausträgen in Grund-, Oberflächen und Küstengewässer. Zusätzlich wurden in den letzten Jahren, bedingt durch die starke Entwässerung im Winterhalbjahr und die Hitze- und Trockenperioden im Sommerhalbjahr, erhebliche Dürreschäden am Grünland verzeichnet. Die Auswirkungen von Trockenperioden auf die Grünlandvegetation und ihre Produktivität wurden in den letzten Jahren, besonders im intensiv genutzten Grünland Nordwestdeutschlands, deutlich. Um diesen Wasserbedarf des Intensivgrünlands in Verbindung mit den sommerlichen Trockenperioden gewährleisten zu können, soll im Rahmen des Projektes „Future Proof Grasslands“ ein angepasstes Wassermanagement erprobt werden. Die Flächenwasserhaltung wird saisonal reguliert, indem im Winter Wasser in den Flächen zurückgehalten wird, sodass Dürreschäden im Sommer vorgebeugt werden kann. Neben einem verbesserten Wasserrückhalt zielt das Projekt auch darauf ab, Stickstoff- und Phosphorausträge ins Grundwasser zu minimieren. Ziel des vorgestellten Teilprojektes ist es, die an den Wasserrückhalt in der Fläche gekoppelten biogeochemischen Stoffflüsse zu quantifizieren. Dazu werden zusätzlich unterschiedliche Nutzungsänderungen als Maßnahme zur Reduzierung der Nährstoffausträge betrachtet. Hierzu werden auf Flächen in der Zielregion großflächig randomisierte Exaktversuche angelegt. Auf diesen wird der Einfluss des veränderten Wassermanagements auf die Nährstoffausträge in den nächsten Jahren untersucht.

In landwirtschaftlich geprägten Regionen wie der Niederrheinischen Bucht (NRW) wird der in der Grundwasserverordnung festgelegte Schwellenwert für Nitrat von 50 mg/L im ersten Grundwasserstockwerk häufig überschritten, sodass vermehrt tiefere Grundwasserstockwerke wasserwirtschaftlich genutzt werden. Über geologische Fenster kann es in diesen jedoch zu Durchbrüchen des Nitrats kommen, die nur durch im Grundwasserleiter stattfindende Abbauprozesse retardiert werden.

Um den Eintrag, Transport und Abbau von Nitrat in tieferen Grundwasserleitern besser zu verstehen, wird ein auf der Venloer Scholle gelegener Standort untersucht. Dieser umfasst – von Süden nach Norden – die Einzugsgebiete der Wassergewinnungen Dülken, Amern, Boisheim, Breyell und Lobberich. Die verschiedenen Brunnen erfassen den lokal zweiten und dritten Grundwasserleiter. Die Einzugsgebiete unterscheiden sich hinsichtlich der Verbreitung schützender Tonhorizonte. Während sich im Anstrom der Wassergewinnungen Dülken, Amern und Breyell hydraulische Fensterstrukturen befinden, sind die Tonhorizonte in den Einzugsgebieten der Wassergewinnungen Boisheim und Lobberich fast vollständig ausgebildet.

Im oberflächennahen Grundwasserleiter ist kein Nitratabbaupotential des Sediments bekannt. Für den zweiten Grundwasserleiter ist nur lokal, z. B. im Bereich der Wassergewinnung Breyell, ein Abbaupotential zu vermuten (Cremer 2015). Der Ablauf einer chemo-lithotrophen Denitrifikation im dritten Grundwasserleiter gilt als gesichert (z. B. Cremer 2015, Meyer et al. 2018, Greven et al. 2019). Der im Sediment verteilte Pyrit wird bei der Reaktion verbraucht, sodass das Abbaupotential langsam aufgezehrt wird bzw. an einigen Stellen bereits verbraucht ist.

Für eine tiefergehende Analyse der Nitratausbreitung im zweiten und dritten Grundwasserleiter wurden im August und September 2023 30 Grundwassermessstellen beprobt. Die Proben werden zum einen auf Nitrat und weitere Hauptionen analysiert zum anderen erfolgt die Messung des Exzess-N₂ (N₂/Ar-Methode).

Mit diesem Beitrag sollen die Ergebnisse der durchgeführten Probennahme vorgestellt werden. Die mit Hilfe der N₂/Ar-Methode bestimmten Eintragskonzentrationen werden mit theoretischen, aus der Chlorid-, Sulfat- und Nitratkonzentration berechneten Eintragskonzentrationen verglichen. Diese Berechnungen lassen für die Wassergewinnung Dülken, Amern und Boisheim Eintragskonzentrationen von bis zu 100 mg/L erwarten. Im Bereich der Wassergewinnung Lobberich lassen die vorhandenen hydrochemischen Daten für den dritten Grundwasserleiter vermuten, dass anthropogen überprägtes Grundwasser noch nicht in diesen Bereich vorgedrungen ist. Die Ergebnisse der N₂/Ar-Methode sollen das Ausmaß der Denitrifikation aufzeigen und Eingang in die Modellierung des Nitrattransportes finden.

Literatur

Cremer, N. (2015): Nitrat im Grundwasser. Konzentrationsniveau, Abbauprozesse und Abbaupotenzial im Tätigkeitsbereich des Erftverbands. Bergheim.

Greven, K., Schindler, R., Rüde, T. R. (2019): Nitratabbaupotenzial in einem tertiären Aquifer der Wassergewinnung Amern der NEW NiederrheinWasser GmbH. Teil 2: In-situ Bestimmung des Nitratabbaus. Korrespondenz Wasserwirtschaft 12 (1), 32–37.

Meyer, B., Schindler, R., Rüde, T. R. (2018): Nitratabbaupotenzial in einem tertiären Aquifer der Wassergewinnung Amern der NEW NiederrheinWasser GmbH. Teil 1: Auswertung von hydrochemischen Daten und Sedimentanalysen. Korrespondenz Wasserwirtschaft 11 (1), 27–33.

Der übermäßige Einsatz stickstoffhaltiger Düngemittel in der Landwirtschaft ist ein komplexes globales Problem. Die Auswirkungen redoxsensitiver Stickstoffverbindungen weiten sich auf den Stickstoffkreislauf aus und interagieren mit anderen, im Boden vorhandene redoxsensitiven Spezien. Zur Untersuchung der dabei stattfindenden-Prozesse haben wir an einem landwirtschaftlichen Standort im Hessischen Ried eine hochauflösende Monitoringstation errichtet, die mit Sensoren und Probenahmevorrichtungen ausgestattet ist. Die Station ermöglicht die hydraulische und hydrogeochemische Untersuchung sowohl in der vadosen Zone als auch im oberen Bereich des Grundwassers.

Die Probenahme erstreckte sich über einen Zeitraum von vier Jahren, in denen verschiedene Pflanzen-, Getreide- und Gemüsearten wie Dill, Sonnenblumen, Winterweizen, Spinat, Erbsen und Zuckerrüben angebaut wurden. Die beobachtete Variabilität des Redoxpotenzials im zeitlichen Verlauf und in verschiedenen Tiefen bestätigen das nicht-stationäre Verhalten der redoxreaktiven Zone, wobei diese Schwankungen mit Fluktuationen des Grundwasserspiegels einhergehen. Über die Tiefe wurden erhebliche Schwankungen der NO₃^--Konzentrationen beobachtet, die von 0,03 bis 246,08 mg/l reichten und die Vielfalt der stickstoffbeteiligten Prozesse widerspiegeln. Stickstoffisotope bestätigen sowohl das Vorkommen von Nitrifikation aus Ammonium als auch von Denitrifikation in tieferen Schichten. Darüber hinaus beweisen tiefenabhängige Schwankungen der Sulfatkonzentration sowie Isotopenanalysen von δ³⁴S-SO₄^2--Signaturen das Vorhandensein einer autotrophen Denitrifikation, bei der Schwefel als Elektronendonor genutzt wird. Für eine Abschätzung der Stoffflüsse in das Grundwasser und die Bestimmung der Denitrifikationsraten wurde ein Stofftransportmodell entwickelt, das zusätzlich mit einem Wärmetransportmodell gekoppelt ist.

Vorläufige Ergebnisse deuten auf einen durchschnittlichen Eintrag von Nitrat in das Grundwasser von 255 kg ha^-1 a^-1 hin, das im flachen Grundwasser jedoch nahezu vollständig abgebaut wird. Die zeitgleiche Bildung von jedoch nur 108 kg ha^-1 a^-1 weist auf zusätzliche heterotrophe Denitrifikation hin, bei der anstelle von Schwefel organischer Kohlenstoff als Elektronendonator genutzt wird.Dies kann anhand der erhöhten Hydrogenkarbonatkonzentrationen innerhalb der reaktiven Zone gestützt werden. Des Weiteren wurden zusätzliche, durch Nitrat ausgelöste Redox-Prozesse festgestellt. Hierunter fallen unter anderem die geogene Uran-Rollfront-Mobilisierung sowie die Selen-Anreicherung an der Redox-Grenzfläche, die vermutlich durch die seleno-pyrit-induzierte Denitrifikation verursacht wird.

Im Zuge der Umsetzung der Düngevorordnung wurden in Deutschland in den vergangenen Jahren die Nährstoffeinträge durch die Landwirtschaft stärker kontrolliert und auch reduziert. Jedoch konnte trotz der ergriffenen Maßnahmen nur eine geringe Verbesserungen des Zustandes der Grundwasserkörper beobachtet werden. Eine Ursache hierfür sind wahrscheinlich die teils langen Verweilzeiten im Grundwasser, wodurch der Einfluss der Maßnahmen noch nicht feststellbar ist. Für die Erfolgskontrolle sowie zur Planung der zukünftigen Maßnahmen durch die Landesbehörden ist daher die Kenntnis des Grundwasseralters von Bedeutung. Zu dessen Bestimmung eignet sich die Methode mittels Tritium und Helium-Isotopen (T/He), da Tritium mit bekannter Halbwertszeit zu Helium-3 zerfällt.

Neben den diffusen Nährstoffeinträgen durch die Landwirtschaft können auch punktuelle Einträge über Abwässer (Leckagen im Abwassersystem, Sickergruben) in das Grundwasser eingetragen werden. Eine Unterscheidung ist über die Analyse von organischen Spurenstoffen möglich. So ist bei einem Nachweis von Arzneimitteln, Koffein, künstlichen Süßstoffen oder Wasch- und Reinigungsmitteln von einem Eintrag durch Siedlungsabwässer auszugehen. Des Weiteren sind die Verhältnisse zwischen schweren und leichten Isotopen des Nitrats (¹⁵N/¹⁴N) und Bors (¹¹B/¹⁰B) dazu geeignet, Aussagen über die Nitratherkunft zu treffen. Über die Nitrat-Isotope kann auch der Abbau von Nitrat über die Denitrifikation ermittelt werden.

Im Zuge von aktuellen Projekten in Brandenburg (LfU) wurde oberflächennahes Grundwasser aus porösen Aquiferen beprobt und die oben genannten Methoden angewendet. Die Analysenergebnisse wurden im Kontext der hydrogeologischen Gegebenheiten ausgewertet.

Das beprobte Grundwasser enthält zumeist noch Tritium oberhalb des Detektionslimits, was auf ein Alter jünger als ~70 Jahren hinweist. Die Grundwasseralter zeigen über den gesamten Datensatz hinweg einen plausiblen Zusammenhang mit dem jeweiligen hydrochemischen Milieu (Je niedriger das Redox-Potential, desto älter das Grundwasser) sowie mit der Tiefenlage der beprobten Filterstrecke (Je tiefer desto älter das Grundwasser).

Die Nitrat- und Borisotope deuten für die meisten Proben als Nitratherkunft auf Gülle, Abwasser oder Bodenstickstoff hin. In einigen Grundwasserproben konnte Denitrifikation nachgewiesen werden, da hier die Nitratkonzentration niedrig ist und eine erhöhte Fraktionierung der Nitrat-Isotope stattfand. Auch sind die Sauerstoffkonzentration umso niedriger, je höher die Fraktionierung der Nitrat-Isotope fortgeschritten ist, was auf den anaeroben Prozess der Denitrifikation hinweist (Abbildung).

Die Ergebnisse der Studien liefern für das Landesamt eine Arbeitsgrundlage zur Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie mittels angepassten Maßnahmenkonzepten.

Mittels UV-Vis Sonden lassen sich hochfrequente Nitratkonzentrationszeitreihen aus dem Grundwasser erfassen die zu ausgewählten Zeitpunkten eine hohe Übereinstimmung mit Laboranalysen zeigen. Auch zeigen die Werte im Pegelwasser hohe Übereinstimmung mit den Werten aus der Pumpprobe, d.h. die In-situ Nitratwerte sind mit konventionell beprobten Nitratwerten vergleichbar und zeigen eine sehr hohe Dynamik, i.e. von 4 mg/l in einer Stunde bis 26 mg/l in nur 6h (Haas et al. 2023). Im weiteren Betrieb der UV-Vis Sonden zeigten sich noch größere (bis zu 42 mg/l in 6 h) Dynamiken, wobei ein Zusammenhang zwischen Bewuchs (Mais, Ölkürbis, Brache) und Extremereignissen (Starkregen und Überflutungen in der Südsteiermark, siehe z.B. ORF (2023)) ersichtlich ist.

Hierdurch verschärft sich die in Haas et al. (2023) angesprochene Repräsentativitätsproblematik weiter: Wie ist eine Stichtagsmessung (an der diverse rechtliche Fragestellungen hängen können) zu werten, wenn der Nitratgehalt im Grundwasser schon einen Tag früher oder später um fast 50 mg/l höher oder niedriger sein kann, insbesondere wenn davon auszugehen ist das aufgrund des Klimawandels solche Schwankungen häufiger und stärker werden?

Die Möglichkeit das es sich hierbei größtenteils um Artefakte, bedingt durch einen fehlerhaften oder beschädigten Pegelausbau handelt, ist nicht auszuschließen, schafft jedoch für die Repräsentativitätsproblematik keine Abhilfe. Hierzu müsste ein schadhafter Pegelausbau erst durch teure und aufwendige Maßnahmen festgestellt werden und ein Ersatzpegel müsste gebohrt und wiederum geprüft werden. Wir schlagen daher vor, das wichtige Messstellen mittels UV-Vis Sonden charakterisiert werden um Wissen über deren mögliche, hochfrequente Nitratdynamik zu erlangen, wodurch die Repräsentativität der Werte eingeschätzt werden kann. Alternativ (bzw. zusätzlich) sollten Beprobungen (sofern sie nicht gezielt ereignisbasiert sind) nur in längeren, stabilen Witterungsphasen durchgeführt werden.

Haas, J., Retter, A., Kornfeind, L., Wagner, C., Griebler, C. Birk, S. High-resolution monitoring of groundwater quality in unconsolidated aquifers using UV-Vis spectrometry. Grundwasser - Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie 28, 53–66 (2023). https://doi.org/10.1007/s00767-022-00540-3

ORF, Teile der Südsteiermark überflutet. https://steiermark.orf.at/stories/3218674/ Grundwasser drückt nach, Erdrutsche drohen. https://orf.at/stories/3326500/ (2023)

Diese Arbeit wurde durch die österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW) im Rahmen der ESS Projekte 2018 (https://www.oeaw.ac.at/ess/ess-projekte-2018/), „Impact of extreme events on the quantity and quality of groundwater in alpine regions – multiple-index application for an integrative hydrogeo-ecologocal assessment (Integrative Groundwater Assessment)” gefördert.